Demountable shear connections with bolts and welded headed studs in steel-concrete composite structures

Abstract

The reuse of constructional elements or entire structures is an important approach in the construction industry that follows the concept of sustainable development. Steel-concrete composite structures enable the efficient use of material and savings in material consumption. However, widespread steel-concrete composite beams with welded headed stud shear connectors do not have the demountability feature and therefore cannot be entirely reused. In the past few decades, much research in the field of steel-concrete composite structures has been focused on the development and investigations of demountable floor systems. A further contribution to that field is provided in this thesis. A novel demountable shear connection with bolts and welded headed studs is proposed. The suggested connection is applicable in composite concrete slabs cast in open trough profiled steel sheeting. Welded headed studs are installed in sheeting ribs, whereas bolts are placed between ribs. Implementation of the additional plate or angles between the beam flange and the concrete slab is required. During the building deconstruction, bolts are removed and the composite concrete slab is easily separated from the steel beam with the possibility of being installed again. Destruction methods are avoided and the entire floor structure including concrete slabs and steel beams may be reused in another location in the same configuration as during the first life cycle. The aim of the study is to promote the novel demountable connection with welded headed studs and bolts. The objectives of the research are to describe the demountable connection response to the shear load at the point of resistance and ductility, to identify failure mechanisms and propose instructions for the design. The developed demountable connection is examined by static push-out tests, conducting experimental and numerical investigations. The experimental work covers 20 push-out test specimens divided into eight series. Different configurations of the demountable steel-concrete connections are experimentally investigated: connections with continuous and discontinuous slabs over the supporting beam, connections with and without stirrup reinforcement around headed studs, connections with the angle between profiled sheeting ribs and the beam of 45°, 60° and 90°. The resistance, ductility and stiffness of demountable connections are compared with corresponding non-demountable connections with welded headed studs. According to the experimental research, the appropriate numerical finite element models are developed and used for a detailed analysis of the connection response and further parametric studies. A range of parameters that might influence the connection response is covered by parametric studies, including the headed stud diameter and height, bolt grade and diameter, concrete class, plate and angle thickness, the distance between the headed stud and slab edge, stirrup reinforcement diameter and position, the angle between sheeting ribs and the beam. The key influential parameters are identified and their effects on the connection performance are quantified. According to the wide set of the obtained data, conclusions regarding the connection response are drawn. Design recommendations for demountable shear connections with bolts and welded headed studs are proposed.

Princip ponovne upotrebe konstruktivnih elemenata ili cele konstrukcije u građevinarstvu u skladu je sa konceptom održivog razvoja. Spregnute konstrukcije od čelika i betona omogućavaju efikasnu upotrebu materijala i uštede u potrošnji. Međutim, spregnute grede od čelika i betona sa zavarenim moždanicima sa glavom koje su u širokoj primeni, nisu demontažne i ne mogu se ponovo upotrebiti. U prethodnih nekoliko decenija, mnoga istraživanja u oblasti spregnutih konstrukcija bavila su se razvojem i ispitivanjem demontažnih međuspratnih konstrukcija. Doprinos navedenoj oblasti dat je kroz ovu disertaciju. Predložen je novi demontažni smičući spoj sa zavrtnjevima i moždanicima sa glavom, kao rešenje primenljivo u spregnutim pločama sa trapeznim profilisanim limom. Postavljanje moždanika predviđeno je u rebrima profilisanog lima, dok se zavrtnjevi postavljaju između, u prevojima lima. Neophodna je primena dodatnog čeličnog lima ili ugaonika na kontaktu između nožice čelične grede i betonske ploče. Tokom demontaže, zavrtnjevi se uklanjaju i spregnuta ploča se jednostavno razdvaja od čeličnog profila, uz mogućnost ponovnog korišćenja. Na ovaj način, destruktivne metode su izbegnute i kompletna međuspratna kontrukcija se može ponovo upotrebiti na drugoj lokaciji u istom obliku kao prilikom prvog životnog ciklusa. Cilj naučnog istraživanja je realizacija inovativnog demontažnog smičućeg spoja sa moždanicima sa glavom i zavrtnjevima. Cilj je opisati ponašanje demontažnog spoja pri dejstvu smičućeg opterećenja u pogledu nosivosti i deformabilnosti, identifikovati mehanizme loma i dati proračunske preporuke. Demontažni smičući spoj je ispitivan putem testova smicanja primenom eksperimentalnih i numeričkih metoda. Eksperimentalno ispitivanje obuhvata 20 testova smicanja podeljenih u osam serija. Ispitivane su različite konfiguracije demontažnog spoja: spojevi sa kontinualnom i diskontinualnom pločom iznad oslonačke grede, spojevi sa i bez uzengija postavljenih oko moždanika, spojevi sa uglovima između rebara profilisanog lima i ose nosača od 45°, 60° i 90°. Nosivost, duktilnost i krutost demontažnih spojeva upoređene su sa odgovarajućim standardnim spojevima sa zavarenim moždanicima sa glavom. Na osnovu eksperimentalnih rezultata, formirani su odgovarajući numerički modeli, koji su potom korišćeni za detaljnu analizu ponašanja spoja i dalju parametarsku analizu. Parametarskom analizom obuhvaćeni su različiti parametri koji bi mogli uticati na ponašanje spoja, uključujući: prečnik i visinu moždanika, prečnik i klasu čvrstoće zavrtnja, klasu betona, debljinu lima i ugaonika, rastojanje između moždanika i ivice betonske ploče, prečnik i poziciju uzengija, ugao između rebara profilisanog lima i ose nosača. Identifikovani su ključni uticajni parametri i njihov efekat je kvantifikovan. Na osnovu širokog skupa dobijenih rezultata, doneti su zaključci po pitanju ponašanja smičućeg spoja. Takođe, date su preporuke za projekotovanje demontažnog spoja sa zavrtnjevima i moždanicima sa glavom.